全球首個(gè)人類細(xì)胞圖譜面世

陳一良

獲得2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的英國生物學(xué)家約翰·薩爾斯頓（John Sulston），曾連續(xù)18個(gè)月用光學(xué)顯微鏡觀察線蟲的生長(zhǎng)發(fā)育，并每隔5分鐘勾勒一幅觀察圖，他繪制的圖譜記錄和解釋了線蟲組織中細(xì)胞分裂和分化的過程。

根據(jù)這些圖及其他大量信息，薩爾斯頓等人描繪了迄今為止多細(xì)胞生物種類中最為完整的一個(gè)細(xì)胞譜系圖，濃縮了線蟲近千個(gè)細(xì)胞的命運(yùn)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和認(rèn)知的累積，科學(xué)家對(duì)細(xì)胞的研究對(duì)象，從動(dòng)物界轉(zhuǎn)向了人類自身，并采用最前沿的分子生物學(xué)技術(shù)。

3月26日，浙江大學(xué)郭國驥教授團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)雜志《自然》上發(fā)布題為《Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level》的重大研究成果，宣布繪制出首個(gè)人類細(xì)胞圖譜。

該項(xiàng)目利用自主研發(fā)的單細(xì)胞分析平臺(tái)，通過高通量測(cè)序技術(shù)，系統(tǒng)性地繪制了跨越胚胎和成年兩個(gè)時(shí)期，涵蓋八大系統(tǒng)的人類細(xì)胞圖譜，建立了70多萬個(gè)單細(xì)胞的數(shù)據(jù)庫、鑒定了100余種人體細(xì)胞大類和800余種細(xì)胞亞類。研究團(tuán)隊(duì)還搭建了人類細(xì)胞藍(lán)圖網(wǎng)站。

細(xì)胞是生命的基本單位，人體中約有37萬億個(gè)細(xì)胞。它們通過分裂、生長(zhǎng)，最終形成不同細(xì)胞類型，進(jìn)而形成人體的各種組織。這些組織匯聚在一起就形成了人體的器官，例如心、肺、腦和肝臟。

首個(gè)人類細(xì)胞圖譜的問世，將如何幫助我們理解人體細(xì)胞的生長(zhǎng)規(guī)律？又將如何改善人們對(duì)癌癥等疾病的理解、診斷和治療？

人體細(xì)胞數(shù)字化

人類細(xì)胞圖譜（Human Cell Atlas，簡(jiǎn)稱HCA）是生命科學(xué)領(lǐng)域近年來興起的國際大科學(xué)計(jì)劃，被認(rèn)為堪比“人類基因組計(jì)劃”。

人體102種細(xì)胞大類圖譜

該計(jì)劃的基本目標(biāo)是采用特定的分子表達(dá)譜來確定人體的所有細(xì)胞類型，并將此類信息與經(jīng)典的細(xì)胞空間位置和形態(tài)的描述連接起來。該計(jì)劃的終極目標(biāo)是確定人體中每個(gè)細(xì)胞的空間位置;通過細(xì)胞譜系確定在人的一生中每一時(shí)刻出現(xiàn)過的每個(gè)細(xì)胞;根據(jù)健康狀態(tài)、基因型、生活方式和外界環(huán)境的不同，對(duì)每一個(gè)個(gè)體細(xì)胞圖譜進(jìn)行注釋。

郭國驥認(rèn)為，人類細(xì)胞圖譜就是人體細(xì)胞的數(shù)字化，首個(gè)人類細(xì)胞圖譜是人類細(xì)胞圖譜計(jì)劃里非常重要的階段性成果，構(gòu)建了人類細(xì)胞圖譜的基本框架。

“這項(xiàng)工作概括地說就是人體細(xì)胞數(shù)字化。我們能用數(shù)字矩陣描述每一個(gè)細(xì)胞的特征，并對(duì)它們進(jìn)行系統(tǒng)性分類。我們定義了許多之前未知的細(xì)胞種類，還發(fā)現(xiàn)了一些特殊的表達(dá)模式?！?/p>

通過這張圖譜，郭國驥團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，多種成人的上皮、內(nèi)皮和基質(zhì)細(xì)胞在組織中似乎扮演著免疫細(xì)胞的角色。

《Construction of a Human Cell Landscape at Single-cell Level 》一文的作者之一，杭州瑞普基因科技有限公司（簡(jiǎn)稱“瑞普基因”）資深科學(xué)家林銳博士向《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者表示，“首個(gè)人類細(xì)胞圖譜搭建起了一個(gè)研究架構(gòu)，是邁向HCA計(jì)劃的一個(gè)里程碑式的成果，研究的方法、思路都可供業(yè)內(nèi)借鑒，繪制圖譜過程中形成的數(shù)據(jù)庫，業(yè)內(nèi)也可以共享，同行們還可以根據(jù)自己的特長(zhǎng)和興趣在圖譜的基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步研究?！?/p>

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，此前的人類單細(xì)胞研究多是從某類組織或有特定標(biāo)志物的細(xì)胞入手，而首個(gè)人類細(xì)胞圖譜的問世，意味著研究對(duì)象的進(jìn)一步具體化和完整化。

林銳評(píng)價(jià)，首個(gè)人類細(xì)胞圖譜的繪制不但完成了大量基礎(chǔ)性工作，也有不少細(xì)節(jié)上的亮點(diǎn)。

“在繪制人類細(xì)胞圖譜的過程中，發(fā)現(xiàn)了不少突破業(yè)界的基礎(chǔ)認(rèn)知，比如在人體血管內(nèi)皮細(xì)胞上發(fā)現(xiàn)類似免疫細(xì)胞的基因表達(dá)，但目前還不知道這對(duì)免疫治療等方面的工作會(huì)有什么樣的作用，有待后期進(jìn)一步研究?！绷咒J說。

對(duì)于首張人類細(xì)胞圖譜的局限性，郭國驥并不回避。

“我們的工作在測(cè)序深度上存在一定局限性，但是在跨組織和跨物種的數(shù)據(jù)可比性上有較大優(yōu)勢(shì)。完美版的人類細(xì)胞圖譜還應(yīng)該整合空間信息、多組學(xué)數(shù)據(jù)和人群分析，這需要全世界科學(xué)家的共同努力?！惫鶉K說。

現(xiàn)年37歲的郭國驥是浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)中心教授、博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)附屬第一醫(yī)院雙聘教授，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)中心副主任，浙江大學(xué)血液學(xué)研究所副所長(zhǎng)。

2018年2月23日，郭國驥率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表學(xué)術(shù)論文，在世界范圍內(nèi)構(gòu)建了第一張哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜。其團(tuán)隊(duì)對(duì)小鼠近50種器官組織的40余萬個(gè)單細(xì)胞進(jìn)行了系統(tǒng)性的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，構(gòu)建了首個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞圖譜。

近日，浙江大學(xué)郭國驥教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)布重大研究成果，宣布繪制出首個(gè)人類細(xì)胞圖譜，包括瑞普基因在內(nèi)的多家企業(yè)參與其中。

該圖譜中涵蓋了哺乳動(dòng)物體內(nèi)的各種主要細(xì)胞類型，并對(duì)每一種器官內(nèi)的組織細(xì)胞亞型、基質(zhì)細(xì)胞亞型、血管內(nèi)皮細(xì)胞亞型和免疫細(xì)胞亞型進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

測(cè)序技術(shù)是關(guān)鍵

自從人類基因組計(jì)劃完成之后，我們初步掌握了“遺傳密碼”，但仍未能一窺自己的細(xì)胞圖譜。過去，科學(xué)家主要利用顯微鏡和流式分析等技術(shù)，依靠若干主觀選取的表型特征對(duì)不同物種的細(xì)胞進(jìn)行分類和鑒定。

近年來，單細(xì)胞測(cè)序等新技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，讓科學(xué)家對(duì)細(xì)胞的觀測(cè)能力進(jìn)入全新的階段。在新技術(shù)出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的測(cè)序技術(shù)只能“看”到成群的細(xì)胞，單個(gè)細(xì)胞的特異性表現(xiàn)容易被忽略。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)的細(xì)胞認(rèn)知體系帶來了革命性的變化，并能夠?qū)蝹€(gè)細(xì)胞內(nèi)高豐度的基因轉(zhuǎn)錄物質(zhì)進(jìn)行無差別的分析，從而建立一個(gè)普適性的細(xì)胞分類系統(tǒng)。

郭國驥團(tuán)隊(duì)自主搭建了一套完全國產(chǎn)化的Microwell-seq高通量單細(xì)胞測(cè)序平臺(tái)。利用微孔矩陣、分子標(biāo)記和擴(kuò)增技術(shù)，高通量、高精度地實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平分析，解決了傳統(tǒng)測(cè)序中單個(gè)細(xì)胞核酸物質(zhì)少、容易丟失、分析成本高的難題。

“以往分析一個(gè)細(xì)胞需要100元人民幣，而現(xiàn)在我們所研制的平臺(tái)只需要1元錢，而且精度比美國目前最先進(jìn)的設(shè)備還要高。”郭國驥說。

基于自主研發(fā)的單細(xì)胞分析平臺(tái)，郭國驥團(tuán)隊(duì)對(duì)60種人體組織樣品和7種細(xì)胞培養(yǎng)樣品進(jìn)行了高通量單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。

林銳說，單細(xì)胞測(cè)序的第一步是要把單個(gè)細(xì)胞分離開來，第二步是將細(xì)胞RNA轉(zhuǎn)換成可以測(cè)序的DNA，最后一步是對(duì)DNA進(jìn)行高質(zhì)量測(cè)序?！霸谑讉€(gè)人類細(xì)胞圖譜繪制的過程中，包括瑞普基因在內(nèi)的多家企業(yè)與郭國驥教授團(tuán)隊(duì)展開深入合作，協(xié)助團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究工作，特別是高質(zhì)量測(cè)序工作，以加速研究進(jìn)程，為首個(gè)人類細(xì)胞圖譜的問世做出了貢獻(xiàn)。”林銳說。

林銳介紹，高質(zhì)量的單細(xì)胞測(cè)序需要強(qiáng)大的設(shè)備支持。從2015年開始，瑞普基因在測(cè)序儀器方面投入巨資采購設(shè)備，其中HISEQ X測(cè)序儀單套設(shè)備價(jià)格就超過1000萬美元，公司全部測(cè)序儀的維護(hù)費(fèi)用每年超過500萬元，國內(nèi)僅有瑞普基因等少數(shù)幾家企業(yè)擁有高通量的單細(xì)胞檢測(cè)能力。

瑞普基因建立了基于NGS的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，可以一次性對(duì)高達(dá)上萬個(gè)細(xì)胞進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)序分析。林銳認(rèn)為，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)數(shù)量仍然偏少，“目前單細(xì)胞領(lǐng)域的研究還沒有臨床應(yīng)用，但未來的應(yīng)用一定會(huì)非常普及，前景廣闊，這就像10年前的基因檢測(cè)研究一樣，極具潛力。”

瑞普基因成立于2014年，是國家發(fā)改委批復(fù)的首批基因檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用示范中心，同時(shí)也獲得了國家衛(wèi)健委（原國家衛(wèi)計(jì)委）認(rèn)證的醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)和美國病理學(xué)家學(xué)會(huì)（CAP）認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)，并且多次滿分通過了國家衛(wèi)健委（原衛(wèi)生部）臨檢中心多項(xiàng)基因檢測(cè)室間質(zhì)評(píng)。

精準(zhǔn)醫(yī)療可期

自2015年1月20日美國時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文中提出“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)計(jì)劃”后，“精準(zhǔn)醫(yī)療”成為全球醫(yī)學(xué)界的熱門話題。所謂精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，就是通過基因測(cè)序和大數(shù)據(jù)分析，了解基因序列以及疾病發(fā)生、發(fā)展、治療和預(yù)后的相關(guān)性，做到個(gè)性化的治療和預(yù)防。

據(jù)林銳和瑞普基因研發(fā)經(jīng)理濮悅博士介紹，每個(gè)細(xì)胞都攜帶有機(jī)體的一套基因組，如果有了基因序列圖譜，就有可能從中找到與各種疾病相關(guān)的“密碼”，加快對(duì)疾病發(fā)生、發(fā)展的理解，有助于疾病的診斷和個(gè)體化治療，因此，人類基因組計(jì)劃有著“生命登月計(jì)劃”之稱。

2000年6月，人類基因組草圖的繪制工作完成，并最終繪制了一張類似化學(xué)元素周期表的人類基因組精確圖譜。

對(duì)于此次人類細(xì)胞圖譜的問世，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，未來臨床醫(yī)生可以通過細(xì)胞圖譜數(shù)據(jù)的比較，來鑒別異常的細(xì)胞狀態(tài)和起源，研究方法將對(duì)人體正常與疾病細(xì)胞狀態(tài)的鑒定帶來深遠(yuǎn)影響。

“我們現(xiàn)在建立的是正常細(xì)胞的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)庫，可以用于再生醫(yī)學(xué)種子細(xì)胞的鑒定。未來如推廣到疾病細(xì)胞圖譜，便有可能運(yùn)用到疾病的單細(xì)胞水平診斷上。細(xì)胞圖譜的數(shù)據(jù)對(duì)于理解疾病的發(fā)生會(huì)有重要意義，但臨床治療方面的應(yīng)用尚需要更多的積累?！惫鶉K說。

林銳也認(rèn)為，人類細(xì)胞圖譜對(duì)研究生長(zhǎng)發(fā)育問題、癌癥治療問題都將發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用，“這個(gè)圖譜描繪的是正常的細(xì)胞狀況，如果將癌癥細(xì)胞和這個(gè)圖譜進(jìn)行對(duì)比，就能發(fā)現(xiàn)一些問題，這顯然能夠?yàn)橹委熢\斷帶來提示，未來單細(xì)胞測(cè)序有望給免疫治療做一個(gè)精準(zhǔn)治療的指導(dǎo)?！?/p>

人類細(xì)胞圖譜的問世對(duì)使用“細(xì)胞療法”來重新產(chǎn)生人體受損組織或?qū)l(fā)揮巨大作用。比如帕金森，這種疾病主要由于大腦持續(xù)缺失能夠產(chǎn)生某種多巴胺的神經(jīng)元而導(dǎo)致的。未來的一種治療可能性是在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)能夠產(chǎn)生特定多巴胺的細(xì)胞，再將它們注入人腦。

對(duì)于未來人類細(xì)胞圖譜在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，林銳頗為看好。

“就像10多年前的基因檢測(cè)研究，當(dāng)時(shí)基因檢測(cè)價(jià)格高，技術(shù)也不普及，現(xiàn)在技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)很明顯，而且每年都會(huì)有新的變化，成本大大降低了，操作也越來越規(guī)范。在目前癌癥病人的靶向治療中，醫(yī)生一般會(huì)建議對(duì)病人進(jìn)行基因測(cè)序，找出合適的藥物治療相應(yīng)的患者，使藥效最大化，同時(shí)保證安全性。基因檢測(cè)指導(dǎo)靶向治療已經(jīng)成為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的要求之一;在未來，隨著生物醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)的積累及單細(xì)胞測(cè)序費(fèi)用的降低，臨床醫(yī)生有望通過單細(xì)胞分析的結(jié)果為患者提供精準(zhǔn)的免疫治療?！绷咒J和濮悅說。

責(zé)編：陳棟棟? chendongdong@ceweekly.cn

美編：孟凡婷